Biologie

E-learning jako vzdělávací nástroj školy 3. tisíciletí

  • Full Screen
  • Wide Screen
  • Narrow Screen
  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size

Replikace

Email Tisk PDF

Ústřední dogma molekulární biologie jednoznačně odmítá přenos genetické informace z proteinu do proteinu, z proteinu do nukleové kyseliny a vychází z podstaty přenosu genetické informace jako obousměrného procesu mezi nukleovými kyselinami a jednosměrného přenosu genetické informace z nukleových kyselin do proteinů.

Replikace

Oproti replikace DNA bakteriálního genomu, u kterého dochází k replikaci ihned po skončení buněčného dělení, nastává replikace DNA eukaryotického genomu právě v S-fázi buněčného cyklu. Replikace představuje tvorbu kopií molekul nukleových kyselin zajišťující přenos genetické informace z DNA do DNA nebo z RNA do RNA. Při replikaci se genetická informace přenáší z jedné molekuly nukleové kyseliny do jiné molekuly stejného typu. Kopie molekuly nukleové kyseliny vzniklá její replikací se označuje pojmem replika.  Před vlastním zahájením syntézy DNA probíhají reparační procesy, které výrazně snižují frekvenci mutací v genomu. U eukaryotických buněk probíhá většina těchto procesů v G1 fázi buněčného cyklu.

Replikace dvouřetězcové DNA probíhá semikonzervativním způsobem, pro který je charakteristické, že se dvoušroubovice rozplétá a oba její řetězce slouží jako matrice pro syntézu komplementárních řetězců. V obou výsledných molekulách je vždy zachováno jedno vlákno z původní molekuly. Tento způsob replikace zajišťuje, že každá dceřiná molekula DNA zachovává stejnou genetickou informaci jako původní (mateřská) molekula, neboť se při něm nemění primární struktura replikující se molekuly. Mateřská DNA je tedy matricí (předlohou) k syntéze nových řetězců.

Replikace jako biochemický proces

Proces replikace začíná oddělením vláken mateřské DNA. Oba tyto řetězce slouží jako matrice neboli templáty pro tvorbu nových vláken. Znamená to, že na každém nukleotidu mateřského řetězce se na základě pravidel komplementarity (párování) bází přiřazuje odpovídající (komplementární) nukleotid. Vlastní replikace se účastní několik enzymů, z nichž nejvýznamnější jsou DNA-polymerázy. Tyto enzymy katalyzují vznik nových vláken DNA. Jako zdroje budoucích nukleotidů slouží dNTP (deoxynukleosidtrifosfát), které se při připojení k novému polynukleotidovému řetězci štěpí za vzniku deoxynukleosidmonofosfátu dNMP a uvolnění fosfátového zbytku P» P.

replikace
Obrázek č. 1 Schéma semikonzervativní replikace DNA. (Zdroj: http://cs.wikipedia.org/).

Syntéza DNA probíhá vždy v jednom směru

DNA-polymerázy připojují nový nukleotid vždy jen ke 3´- OH skupině deoxyribózy, nikdy však k OH-skupině na 5´- konci. Proto syntéza nového řetězce probíhá pouze ve směru 5´→ 3´a nikoli opačně. Protože jsou vlákna DNA antiparalelní, je průběh replikace na každém z nich poněkud odlišný. Na vlákně mateřské DNA orientovaném ve směru 3´→ 5´probíhá syntéza komplementárního polynukleotidového řetězce kontinuálně (plynule), neboť nukleotidy nového vlákna se zařazují ve směru 5´→ 3´. Toto vlákno se označuje jako vedoucí řetězec. Na opačném mateřském vlákně (5´- 3´) je však syntéza podstatně pomalejší, replikace zde probíhá proti směru rozplétání dvoušroubovice, komplementární řetězec se tedy vytváří diskontinuálně po drobných, zpočátku oddělených úsecích zvaných Okazakiho fragmenty. Tento řetězec bývá označován jako opožďujíicí se řetězec. Každý Okazakiho fragment vzniká ve směru 5´- 3´vždy po rozpletení určitého úseku dvoušroubovice. Jednotlivé fragmenty jsou postupně spojovány působením enzymu zvaného DNA-ligáza. Replikace DNA tedy probíhá semidiskontinuálně (na mateřském řetězci 3´- 5´ kontinuálně, na opačném řetězci diskontinuálně). 

Kde je vlastně začátek replikace a co ji zahájí?
Na prokaryotickém kružnicovém chromozomu existuje zpravidla jediné místo, kde replikace začíná, tzv. replikační počátek neboli lokus ori. Odtud postupuje syntéza DNA v obou směrech po celém obvodu kružnicové molekuly. U eukaryotických buněk, které mají daleko rozsáhlejší a segmentovaný genom, není replikace z jediného počátečního bodu možná. Proto je eukaryotický genom rozdělen na větší počet současně se replikujících jednotek, tzv. replikonů, z nichž každý má svůj replikační počátek.
DNA polymeráza neumí zahájit polymeraci od jediného nukleotidu - proto zde nastupuje další enzym, tzv. DNA primáza (což je vlastně DNA dependentní RNA polymeráza), která nasyntetizuje krátký úsek RNA - tzv. primer (startér), od kterého už může DNA polymeráza zahájit polymeraci. Takovýto primer vznikne nejen na vedoucím řetězci, ale musí vzniknout i před každým Okazakiho fragmentem na opožďujícím se řetězci. Primery jsou posléze vyštěpeny - chybějící úseky dosyntetizovány a vlákno je spojeno DNA ligázou.

replikace_1 
Obrázek č. 2 Semidiskontinuální replikace. (Zdroj: http://cs.wikipedia.org/).
replikace_DNA.schema.01 
Obrázek č. 3 Schématické znázornění semidiskontinuální replikace. (Zdroj: http://cs.wikipedia.org/).


Opakovací otázky:

  1. V které fázi buněčného cyklu eukaryotické buňky probíhá replikace DNA?
  2. Vysvětli pojem semidiskontinualita replikace DNA.
  3. Které enzymy se účastní replikace DNA?
  4. Co je primer? V které fázi replikace se vyskytuje?
  5. V které fázi buněčného cyklu eukaryot probíhají reparační procesy připravující DNA pro replikaci?